利用pH和氧气传感器探究氯水的稳定性
周朝晖 后勇军
摘要：实验是获取化学感性认识的源泉，是理性认识的支架。在教学中设计数字化创新实验，利用pH和氧气传感器探究氯水的稳定性，通过宏微结合和曲线表征，帮助学生直观地理解和构建知识，落实化学核心素养。
关键词：传感器? 氯水? 稳定性? 曲线表征? 核心素养
一、问题的提出
化学是以实验为基础的科学，实验是获取化学感性认识的源泉，是理性认识的支架。氯气与水反应是人教版高中化学必修1第四章第二节的主要内容。为了帮助学生认识氯水的漂白性，教材中设计了实验4-4和4-5两个对比实验（如图1），该实验可以宏观表征：A广口瓶中有色布条不褪色，B广口瓶中有色布条褪色。学生容易获取新知：干燥的氯气没有漂白性而新制的氯水有漂白性，进而较易理解新制的氯水的漂白性是氯气与水反应生成的新物质——次氯酸（HClO）具有漂白作用。
次氯酸虽然是一元弱酸，但具有强氧化性和不稳定性。文献资料显示：在25 ℃时，1 L水约溶解2 L氯气达到饱和，可以粗略计算氯水的物质的量浓度约为0.0921 mol/L。当氯气溶于水时，少部分氯气会跟水发生反应，并很快达到化学平衡：Cl2+H2OHCl+HClO。根据此反应的平衡常数K=4.2×10-4，可以计算出各物质的平衡浓度：
c（Cl2）=0.062 mol/L，c（HClO）=0.030 mol/L，c（HCl）=0.030 mol/L。
可知氯水中各成分浓度较小，又因为浓度越大的氯水，氯气的扩散越慢，氯气的溶解能力越差。因此，通常所用的氯水实际上是不容易达到饱和，各成分的实际浓度比理论值要低，新制氯水中次氯酸（HClO）的浓度偏小，在光照条件下分解导致氯气与水反应的化学平衡移动较慢，短时间内肉眼很难观察到因溶液中氯气浓度变小而引起的溶液颜色的变化。次氯酸分解引起的溶液pH变化的数值也很小，用常规的检测方法不能检测。因此，教材中对次氯酸的不稳定性没有设置验证实验，而是直接给出了次氯酸分解的化学反应方程式。学生在观察新制的氯水时，短时间内无法观察到明显的变化，造成学生分析和理解新制氯水与久置氯水成分的差异时产生认知困难。在实际教学中，笔者设计了数字化创新实验，利用pH和氧气传感器探究氯水的稳定性，通过宏微结合和曲线表征，帮助学生直观的理解和构建知识。
二、实验设计思路
氯水中次氯酸在光照或加热条件下会发生分解反应生成盐酸和氧气，引起溶液的pH值和容器内氧气的浓度发生微弱变化。为了让pH数据和氧气浓度可视化，在实验中引入数字化实验，借助pH和氧气传感器，同时导出新制的氯水在光照或加热条件下容器内氧气浓度和溶液的pH值随时间变化的图像。通过曲线表征中的数据的变化，推断溶液中发生的反应，进而预测久置的氯水成分与新制的氯水成分的不同。
三、实验用品和装置
1.实验用品：氧气传感器、pH传感器、数据采集器、三颈瓶、饱和氯水、手电筒、热毛巾等。
2.实验装置：如图2。
四、实验步骤和现象分析
（一）在光照条件下
（1）实验步骤：按图2装置组装仪器，向三颈瓶中加入150 mL饱和氯水，连接好数据采集器、氧气传感器和pH传感器，打开应用软件，用两个手电筒照射三颈瓶中的饱和氯水，点击氧气传感器和pH传感器进行数据采集，观察溶液的pH变化和三颈瓶中氧气变化。实验中曲线变化如图3所示。
（2）现象分析：
由图像可知：随着时间的推移，氯水颜色变浅，溶液的pH值减小，由2.33逐渐变为2.32，氧气含量增大，由14.92%逐渐变为14.97%，可以证明氯水中发生反应：Cl2+H2OHCl+HClO，生成的HClO在光照条件下发生分解反应，其符号表征为：2HClO光照2HCl+O2↑，获得认知模型：氯水在光照条件下不稳定。图像中实验起始时pH变化较快，后来较慢，这与次氯酸的浓度变化有关。随着次氯酸的分解，次氯酸的浓度不断降低，分解速率就不断减慢。
（二）在加热条件下
（1）实验步骤：按图2装置组装仪器，向三颈瓶中加入150 mL饱和氯水，连接好数据采集器、氧气传感器和pH传感器，打开应用软件，用热毛巾（40～50 ℃）敷在三颈瓶外壁，点击氧气传感器和pH传感器进行数据采集，观察溶液的pH变化和三颈瓶中氧气变化。实验中曲线变化如图4所示。
（2）现象分析：
由图像可知：用热毛巾加热三颈瓶时，随着时间的推移，氯水颜色变浅，三颈瓶中氧气含量逐渐增大，同时溶液的pH值逐渐减小，证明氯水中发生反应：Cl2+H2OHCl+HClO，生成的HClO在加热条件发生分解反应，其符号表征为：2HClO△2HCl+O2↑，获得认知模型：氯水在加热条件下不稳定。
五、实验效果和启示
（一）利用数字化实验将缓慢反应过程可视化，有效突破教学难点。由于氯水中次氯酸浓度很小，次氯酸分解导致氯水的成分发生微弱变化，其宏观现象不明显。利用pH传感器和氧气传感器进行数字化实验，把现象不明显的化学反应过程以曲线的形式显示出来，不仅有利于学生直观地对实验现象的观察，还有利于学生对实验结果的分析处理。学生通过观察溶液的pH值不断变小、同时容器内氧气的浓度不断增大，很快推测出次氯酸在光照或加热等条件分解生成了强酸（盐酸）和氧气，理解了次氯酸的不稳定性。进而预测：随着时间推移，氯水中次氯酸不断分解，导致溶液中的氯气不断与水反应，最终溶液变为稀盐酸，通过多重表征分析和推理自主建构了认知模型，学生总结和归纳出新制的氯水和久置的氯水成分的差异性图（如图5）。
（二）通过对实验结果分析处理，引导学生分析解决实际问题。学生理解掌握了次氯酸不稳定的性质后，教师启发学生思考如下问题：在实验室中如何使用和存放氯水？如何让氯水的漂白性更持久？学生通过交流，借助宏微结合，运用所学知识进行推理、迁移，最终理解掌握新的知识点：（1）实验室使用的氯水要新制，且在棕色瓶中避光保存。（2）氯水虽然有很好的漂白性，由于次氯酸的不稳定性，难以保存，使用起来很不方便，效果也不理想[1]。为了增强稳定性，科研工作者经过多年的实验和改进：将氯气通入氢氧化钠溶液中获得常用的漂白液，其有效成分是次氯酸鈉（NaClO）;也可以将氯气通入冷的Ca（OH）2中制得较稳定的漂白粉，它的有效成分是次氯酸钙[Ca（ClO）2]。漂白液和漂白粉可用作环境的消毒剂，也可作漂白棉、麻、纸张的漂白剂，让学生感知化学的价值，学以致用。
（三）在实际实验教学中，适时引入数字化实验传感器，借助曲线表征，将定性实验转化为定量实验，对传统实验进行改进和创新，可以使一些传统实验无法观察的现象可视化，微小的变化放大化。利用图像中的曲线变化，开展小组讨论，引导学生对数据进行分析，不仅可以帮助学生解决生活中的化学问题，而且能激发学生对实验探究活动的好奇心和兴趣，拓展学生的视野，引导学生的学习方式的转变，培养学生的科学探究能力与创新意识，真正落实在课堂教学中发展学生的化学学科核心素养。
参考文献：
宋心琦.普通高中课程标准实验教科书.化学必修1（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2012：8485.
